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Dispersión de rayos X de ángulo pequeño

La dispersión de rayos X de ángulo pequeño ( SAXS ) es una técnica de dispersión de ángulo pequeño mediante la cual se pueden cuantificar las diferencias de densidad a escala nanométrica en una muestra. Esto significa que puede determinar distribuciones de tamaño de nanopartículas , resolver el tamaño y la forma de macromoléculas (monodispersas) , determinar tamaños de poro, distancias características de materiales parcialmente ordenados y mucho más. [1] Esto se logra analizando el comportamiento de dispersión elástica de los rayos X cuando viajan a través del material, registrando su dispersión en ángulos pequeños (típicamente 0,1 – 10°, de ahí el "ángulo pequeño" en su nombre). Pertenece a la familia de técnicas de dispersión de ángulo pequeño (SAS) junto con la dispersión de neutrones de ángulo pequeño , y generalmente se realiza utilizando rayos X duros con una longitud de onda de 0,07 – 0,2 nm . Dependiendo del rango angular en el que se puede registrar una señal de dispersión clara, SAXS es ​​capaz de proporcionar información estructural de dimensiones entre 1 y 100 nm, y de distancias de repetición en sistemas parcialmente ordenados de hasta 150 nm. [2] USAXS (dispersión de rayos X de ángulo ultra pequeño) puede resolver dimensiones incluso mayores, [3] [4] [5] ya que cuanto menor sea el ángulo registrado, mayores serán las dimensiones del objeto que se sondea.

SAXS y USAXS pertenecen a una familia de técnicas de dispersión de rayos X que se utilizan en la caracterización de materiales. En el caso de macromoléculas biológicas como las proteínas , la ventaja de SAXS sobre la cristalografía es que no se necesita una muestra cristalina. Además, las propiedades de SAXS permiten la investigación de la diversidad conformacional en estas moléculas. [6] Los métodos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear encuentran problemas con macromoléculas de mayor masa molecular (> 30–40 kDa ). Sin embargo, debido a la orientación aleatoria de las moléculas disueltas o parcialmente ordenadas, el promedio espacial conduce a una pérdida de información en SAXS en comparación con la cristalografía.

Aplicaciones

SAXS se utiliza para la determinación de la estructura a microescala o nanoescala de sistemas de partículas en términos de parámetros tales como tamaños de partículas promedio, formas, distribución y relación superficie-volumen. [7] [8] [9] [10] Los materiales pueden ser sólidos o líquidos y pueden contener dominios sólidos, líquidos o gaseosos (las llamadas partículas) del mismo material o de otro en cualquier combinación. No solo se pueden estudiar partículas, sino también la estructura de sistemas ordenados como láminas y materiales tipo fractal . El método es preciso, no destructivo y generalmente requiere solo un mínimo de preparación de la muestra. Las aplicaciones son muy amplias e incluyen coloides [11] , [12] , [13] , [14] de todo tipo, incluidos complejos interpolielectrolitos, [15] , [16] , [17] micelas , [18] , [19] , [20] , [21] , [22] microgeles, [23] liposomas , [24] , [25] , [26] polimerosomas , [27] , [28] metales, cemento, petróleo, polímeros , [29] , [30] , [31] , [32] plásticos, proteínas , [33] , [34] alimentos y productos farmacéuticos , y se pueden encontrar tanto en investigación como en control de calidad. La fuente de rayos X puede ser una fuente de laboratorio o luz de sincrotrón que proporciona un mayor flujo de rayos X.

Dispersión resonante de rayos X de ángulo pequeño

Es posible mejorar el rendimiento de dispersión de rayos X [35] haciendo coincidir la energía de la fuente de rayos X con un borde de absorción resonante como se hace para la dispersión de rayos X inelástica resonante . A diferencia de las mediciones RIXS estándar, se considera que los fotones dispersos tienen la misma energía que los fotones incidentes.

Instrumentos SAXS

En un instrumento SAXS, se aplica un haz monocromático de rayos X a una muestra, de la que algunos se dispersan, mientras que la mayoría simplemente atraviesan la muestra sin interactuar con ella. Los rayos X dispersados ​​forman un patrón de dispersión que luego se detecta en un detector, que normalmente es un detector de rayos X plano bidimensional situado detrás de la muestra perpendicular a la dirección del haz primario que incidió inicialmente en la muestra. El patrón de dispersión contiene la información sobre la estructura de la muestra. El principal problema que debe superarse en la instrumentación SAXS es ​​la separación de la intensidad débil dispersa del haz principal fuerte. Cuanto menor sea el ángulo deseado, más difícil será esto. El problema es comparable al que se encuentra al intentar observar un objeto débilmente radiante cerca del Sol, como la corona solar. Solo si la Luna bloquea la fuente de luz principal, la corona se vuelve visible. Del mismo modo, en SAXS, el haz no dispersado que simplemente viaja a través de la muestra debe bloquearse, sin bloquear la radiación dispersa adyacente. La mayoría de las fuentes de rayos X disponibles producen haces divergentes , lo que agrava el problema. En principio, el problema podría solucionarse enfocando el haz, pero esto no es fácil cuando se trabaja con rayos X y anteriormente no se hacía, excepto en los sincrotrones , donde se pueden utilizar grandes espejos curvados. Por eso, la mayoría de los dispositivos de laboratorio de ángulo pequeño dependen de la colimación . Los instrumentos SAXS de laboratorio se pueden dividir en dos grupos principales: instrumentos de colimación puntual y de colimación lineal:

Instrumentos de colimación puntual

Los instrumentos de colimación puntual tienen orificios que dan forma al haz de rayos X en un pequeño punto circular o elíptico que ilumina la muestra. De este modo, la dispersión se distribuye de forma centrosimétrica alrededor del haz de rayos X primario y el patrón de dispersión en el plano de detección consiste en círculos alrededor del haz primario. Debido al pequeño volumen de muestra iluminada y al desperdicio del proceso de colimación (solo se permite el paso de los fotones que vuelan en la dirección correcta), la intensidad de dispersión es pequeña y, por lo tanto, el tiempo de medición es del orden de horas o días en el caso de dispersores muy débiles. Si se utilizan ópticas de enfoque como espejos curvados o cristales monocromadores curvados u ópticas de colimación y monocromación como multicapas, el tiempo de medición se puede reducir en gran medida. La colimación puntual permite determinar la orientación de sistemas no isotrópicos ( fibras , líquidos cizallados ).

Instrumentos de colimación de líneas

Los instrumentos de colimación lineal restringen el haz solo en una dimensión (en lugar de dos como en la colimación puntual) de modo que la sección transversal del haz es una línea larga pero estrecha. El volumen de muestra iluminado es mucho mayor en comparación con la colimación puntual y la intensidad dispersa a la misma densidad de flujo es proporcionalmente mayor. Por lo tanto, los tiempos de medición con instrumentos SAXS de colimación lineal son mucho más cortos en comparación con la colimación puntual y están en el rango de minutos. Una desventaja es que el patrón registrado es esencialmente una superposición integrada (una autoconvolución ) de muchos patrones de orificios adyacentes. La mancha resultante se puede eliminar fácilmente utilizando algoritmos sin modelo o métodos de deconvolución basados ​​en la transformación de Fourier, pero solo si el sistema es isotrópico. La colimación lineal es de gran beneficio para cualquier material nanoestructurado isotrópico, por ejemplo, proteínas, surfactantes, dispersión de partículas y emulsiones.

Fabricantes de instrumentos SAXS

Los fabricantes de instrumentos SAXS incluyen a Anton Paar , Austria; Bruker AXS , Alemania; Hecus X-Ray Systems Graz, Austria; Malvern Panalytical , Países Bajos, Rigaku Corporation, Japón; Xenocs , Francia; y Xenocs , Estados Unidos.

Véase también

Referencias

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Enlaces externos